Generador de patrones de video NTSC sobre FPGA

Transcripción

1 Fig. 1. Barrido entrelazado. Generador de patrones de video NTSC sobre FPGA CIE Bárbaro M. López-Portilla Vigil TE-38 Resumen Como resultado fundamental de esta investigación se obtiene el diseño en VHDL de un generador de patrones de video y su implementación en un FPGA, cuyas potencialidades de reconfiguración y alta capacidad de integración lo convierten en la solución ideal para la generación de señales en tiempo real y aplicaciones de procesamiento de imágenes en el área de las telecomunicaciones, la electrónica, la electromedicina y otras. La aplicación permite disponer de una señal de video normalizada para el ensayo y calibración de televisores, concebida para procurar un diagnóstico rápido sin estar supeditado a la señal generada por la emisora a un horario determinado. Los patrones generados son barras verticales y horizontales, raster y damero. Se logró una aplicación compacta y de fácil operación, por lo cual es apta tanto para el uso en taller como para la implementación de laboratorios prácticos en la esfera docente. Palabras Claves Generador de Patrones, FPGA, NTSC. I. INTRODUCCIÓN Los sistemas de comunicación audiovisual han experimentado, desde los inicios de la televisión en blanco y negro, una constante evolución tecnológica encaminada a mejorar tanto la calidad como cantidad de los servicios. Sin embargo, debido al elevado número de usuarios y el coste de los equipos terminales la evolución tecnológica casi siempre se ha realizado de forma progresiva, manteniendo cierto grado de compatibilidad con los sistemas precedentes e introduciendo de forma paulatina mejoras y servicios adicionales. Esta evolución abarca desde la introducción de información de color compatible con los sistemas en blanco y negro hasta la implantación de la televisión digital por vía satélite. De esta forma los receptores de televisión (televisores) se han convertido hoy por hoy en un equipo audiovisual de gran utilidad y popularidad en los sistemas de comunicación. II. MATERIALES Y MÉTODOS Un generador de patrones es un instrumento insustituible y de gran aplicación en los trabajos de reparación de receptores de televisión porque permite realizar varios ajustes como son: convergencia del tubo, pureza de los colores primarios y linealidad vertical y horizontal, entre otros. Además, se pueden detectar problemas como la falta de barrido vertical u horizontal y efectos desagradables en la imagen (efecto cojín, efecto bandera, efecto barril, efecto trapecio, imágenes sin color, imagen negativa, imagen borrosa, etc.) [1]. La identificación de estos problemas técnicos se realiza a través de la inspección visual de la imagen en la pantalla del receptor o bien mediante un osciloscopio. En la esfera docente es también de gran utilidad la aplicación porque constituye un medio docente que sirve de apoyo para adquirir habilidades en diferentes asignaturas de la disciplina de Radiocomunicaciones, en la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica. El sistema implementado entrega la señal de video compuesto, en este caso de la norma de televisión NTSC, de manera tal que la misma puede ser visualizada (medida) en el osciloscopio y de esta forma analizada con más detalle del que se puede explicar en clases, principalmente en lo relacionado a parámetros como los niveles, los tiempos y la frecuencia que caracterizan dicha señal. Haciendo uso del lenguaje VHDL y del Kit de desarrollo Spartan-3E [2] de Xilinx se diseñó e implementó una aplicación que genera la señal de video compuesto correspondiente a diferentes patrones, seleccionables por hardware, que se deseen ver en un televisor. A. Parámetros de la señal de video. La televisión es el sistema capaz de transformar mensajes provenientes de fuentes luminosas en señales eléctricas, así como procesarlas, transmitirlas, recibirlas y recomponerlas nuevamente en forma de imágenes de manera tal que den una reproducción sustancialmente continua ante el observador situado en un punto distante de los cambios ocurridos en la escena. Para la obtención, procesamiento y reproducción de la información de una imagen, el sistema NTSC toma en cuenta características del ojo humano que facilitan el proceso, de esta forma se determinan, entre otros, los siguientes parámetros para la generación de la imagen: la imagen se confina a una forma rectangular horizontal (4 unidades horizontales por 3 unidades verticales), la proyección de la imagen se realiza en el dispositivo receptor a través de explorar o hacer un barrido de ésta por medio de 525 líneas horizontales, de izquierda a derecha y comenzando con la esquina superior izquierda, la continuidad del movimiento se logra presentando 30 (29.97) imágenes por segundo y cada imagen se divide en dos partes denominadas campos. Cada campo contiene únicamente líneas, pero estas líneas no son continuas, sino que se toman de manera entrelazada: un campo se forma solamente por las líneas de número impar, mientras que el otro por las líneas de número par [3]. En la Fig. 1 se ha representado de manera general el barrido entrelazado que se utiliza para formar una imagen completa.

2 CIE NTSC [3]. B. Señal que contiene la información luminosa de la escena captada: El sistema de televisión NTSC trasmite la información de la imagen a partir de dos señales que caracterizan la sensación del color, la señal de luminancia (Y) que caracteriza la luminancia de la imagen captada y la señal de crominancia (C) que caracteriza el matiz (ángulo de fase) y la saturación (amplitud) de la imagen captada. La información de crominancia se transmite a partir de dos señales conocidas como señales de diferencia de color (I y Q). Todas estas señales se obtienen a partir de las componentes de los colores rojo, verde y azul de la imagen captada, que se representan con las letras R, G y B respectivamente. Y = 0.299R G B I = 0.6R 0.28G 0. 32B Q = 0.21R 0.52G B La transmisión de las señales de diferencia de color simultáneamente por el mismo canal, garantizando una protección suficiente contra la posibilidad de interferencia entre ellas, se logra modulando en amplitud con portadora suprimida, con las señales de diferencia de color, dos subportadoras de la misma frecuencia pero en cuadratura de fase (desfasadas 90º), dando como resultado la señal de crominancia (C). C = Q * Sen(2π Fsc + 33 ) + I * Cos(2πFsc + 33 ) C = / 2 ( I Q ) I Θ = tan 1 ( ) Q Finalmente la señal que contiene la información de la escena captada es: Fig. 2. Forma de onda de la señal de una línea de video Durante el retroceso vertical también se introduce en la señal de video un pulso de sincronía vertical. Este se caracteriza por una duración de 9 líneas horizontales para el intervalo correspondiente al retroceso vertical donde, las 3 primeras líneas forman una zona denominada como de igualación, las 3 líneas centrales son en sí el pulso de sincronía y las últimas 3 líneas horizontales forman otra vez una zona de igualación. Además, en todo el intervalo de retroceso vertical los pulsos de sincronía se producen al doble de la frecuencia de línea y en las zonas de igualación los pulsos de sincronía son invertidos en su forma (observar detalle en Fig. 3) [3]. E = Y + C E = Y + Q * Sen(2π Fsc + 33 ) + I * Cos(2πFsc + 33 ) En la señal de video sólo se incluye la información de la intensidad de luz obtenida, durante el barrido horizontal de izquierda a derecha, omitiéndose durante el tiempo de regreso para barrer la siguiente línea horizontal y durante el tiempo de regreso para comenzar a barrer el siguiente campo. A estos tiempos de barrido o retroceso se les llama pulsos de borrado y es en estos pulsos donde se insertan las señales de sincronismo. C. Señal compuesta de sincronismo En la Fig. 2 se muestra la forma de la señal de video correspondiente a una línea horizontal (correspondiente al patrón de barras verticales), incluidos los períodos de borrado, sincronía y el inicio de la siguiente línea, así como los valores proporcionales de amplitud, todos ellos de acuerdo al estándar Fig. 3. Forma de onda de la señal de retroceso vertical. Para garantizar la compatibilidad con el sistema en blanco y negro, el sistema NTSC en colores mantiene la señal monocromática blanco y negro como componente de luminancia de la imagen en color. La señal de color se ha agregado con una frecuencia que es múltiplo de la horizontal, sobre una subportadora suprimida de MHz, modulada en amplitud y en cuadratura de fase. La demodulación de los componentes de crominancia requiere necesariamente de sincronía, por lo que se envía al inicio de cada línea (pórtico anterior) una señal sinusoidal de referencia

3 CIE de fase, conocida como "salva de color", "burst" o "colorburst" [3]. conversión que se requiere. Finalmente el sistema general está representado en el diagrama en bloques de la Fig. 5. III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para la generación de estas señales de video se trabaja con una base de tiempo de 20 ns, que se obtiene a partir del oscilador interno de 50 MHz del Kit (pin C9: CLK_50MHz). Sin embargo, para la generación de las señales sinusoidales se parte de una base de tiempo de 10 ns que se obtiene con la utilización de un módulo IP DCM con el que se multiplica por 2 la frecuencia de 50 MHz del oscilador interno y estas señales (sinusoidales) se generan con el IP-CORE DDS Compiler v.4. En la Fig. 4 se muestra el esquema modular del generador de patrones descrito en VHDL que está conformado por diferentes etapas. Una etapa se encarga de generar las componentes R, G y B que se corresponden con el patrón seleccionado, otra de crear la señal que contiene la información de la imagen a partir de estas componentes y de las señales sinusoidales y una última etapa que genera la señal de sincronismo compuesto y al mismo tiempo la multiplexa con la señal de la imagen para formar la señal de video compuesto. La selección entre uno u otro patrón se hace mediante dos de los interruptores del kit (pin L14: SW1, pin L13: SW0) como se representa en la Tabla I. Fig. 5. Esquema del sistema implementado. En la Tabla II se hace una comparación entre las características de la señal generada y las de la señal de video que se detalla en el informe 624 de la XIII Asamblea Plenaria del CCIR, Ginebra, 1974 [5]. TABLA II CARACTERÍSTICAS DE LA SEÑAL OBTENIDA TABLA I SELECCIÓN DEL PATRÓN La señal que se obtiene necesita ser convertida en señal analógica para poder ser entregada al televisor. Para la etapa de conversión digital/analógica se implementó un conversor de tipo escalera R-2R [4] debido a la alta frecuencia de Fig. 4. Esquema modular del generador de patrones.

4 CIE El resultado fundamental que se obtiene consiste en un sistema capaz de generar la señal de video compuesto correspondiente al patrón, seleccionable por hardware, que se quiera ver en el televisor. Como se puede observar en la Fig. 6a, se pueden detallar las características de la señal con una inspección visual del osciloscopio y en las Fig. 6b, c, d, y e, se muestran los patrones visualizados en el televisor, lo cual también brinda la posibilidad de identificar problemas en los matices de los colores, en el sincronismo de la imagen, entre otros. Fig. 6. d) Damero Fig. 6. a) Señal correspondiente al patrón de barras verticales. Fig. 6. d) Raster Fig. 6. b) Barras verticales. IV. CONCLUSIONES Se ha logrado un instrumento muy útil para el mantenimiento, reparación y puesta a punto de sistemas de video. Dispone de 4 cartas patrón para el análisis de la imagen de forma visual o bien mediante un osciloscopio. El sistema implementado cumple con los requisitos fundamentales para su aplicación tanto en talleres de reparación como para el montaje de laboratorios prácticos en la docencia. AGRADECIMIENTO Al Ministerio de Educación Superior, a la Agencia Española de Cooperación Internacional para el Desarrollo y a la Universidad de Pinar del Río por el financiamiento brindado para la adquisición de Kit de Desarrollos, para la capacitación de profesores y el desarrollo de proyectos de investigación. Fig. 6. c) Barras horizontales. REFERENCIAS [1] J. L. Casinelli, J. O. Quiroga, Generador de patrones de video, [2] Sistemas de Televisión: Características de la señal de video. Disponible en: deo.html [3] Spartan-3E Starter Kit Board User Guide. Disponible en : 0.pdfhttp:// [4] S. Franco, Diseño con Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Analógicos, Tercera Edición, McGraw-Hill, 2005.

5 [5] L. Rodríguez, M. Vidaurrázaga, J. R. Álvarez, Televisión, ENPES, CIE2011 5